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Wenn du im Sommer auf dunklem Asphalt stehst, wird es schnell heiß unter deinen Schuhen. Auf Schnee ist es oft heller und kühler, obwohl dieselbe Sonne scheint. In Erdkunde geht es dabei um die Frage: Was passiert mit der Energie der Sonne, wenn sie die Erde erreicht?
Energie kommt von der Sonne
Die Erde bekommt fast ihre ganze Energie von der Sonne. Diese Energie erreicht die Erde als Strahlung. Strahlung ist Energie, die sich als Wellen ausbreitet. Du kennst das vom Sonnenlicht: Es wärmt deine Haut, auch wenn die Sonne weit entfernt ist.
Die Sonnenstrahlung ist überwiegend kurzwellige Strahlung. Das bedeutet: Ihre Wellen sind vergleichsweise kurz und enthalten viel Energie. Ein Teil davon ist sichtbares Licht. Ein anderer Teil ist unsichtbar, zum Beispiel ultraviolette Strahlung.
Kurzwellige Strahlung ist energiereiche Strahlung von sehr heißen Körpern. Die Sonne sendet vor allem kurzwellige Strahlung zur Erde.
- Du erklärst, wie die Erde Energie aufnimmt und wieder abgibt.
- Du unterscheidest Strahlung von der Sonne und Wärmestrahlung der Erde.
- Du beschreibst, warum helle und dunkle Flächen verschieden warm werden.
- Du erklärst, warum die Lufthülle der Erde für die Temperatur wichtig ist.
- Du erkennst, warum Veränderungen dabei das Klima beeinflussen.
An einem wolkenlosen Tag scheint die Sonne direkt auf einen Schulhof. Helle Flächen wirken oft grell, dunkle Flächen werden warm. Das zeigt: Sonnenstrahlung bringt Energie zur Erdoberfläche.
Die Sonne liefert Energie. Ohne diese Einstrahlung wäre die Erde sehr kalt.
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Was Strahlungshaushalt bedeutet
In einem Haushalt vergleichst du Einnahmen und Ausgaben. Beim Strahlungshaushalt der Erde ist es ähnlich. Man vergleicht, wie viel Strahlungsenergie die Erde aufnimmt und wie viel sie wieder abgibt.
Der Strahlungshaushalt der Erde beschreibt die Bilanz aus einfallender Sonnenstrahlung, zurückgeworfener Strahlung und abgegebener Wärmestrahlung.
Wenn die Erde langfristig ungefähr so viel Energie abgibt, wie sie aufnimmt, bleibt die globale Durchschnittstemperatur ungefähr stabil. Nimmt sie mehr Energie auf, erwärmt sie sich. Gibt sie mehr Energie ab, kühlt sie ab.
Stell dir ein Klassenzimmer vor. Wenn mehr Wärme hineinkommt, als durch Fenster und Wände hinausgeht, wird es wärmer. Wenn genauso viel Wärme hinausgeht wie hineinkommt, bleibt die Temperatur ungefähr gleich.
Für die ganze Erde rechnet man oft mit Durchschnittswerten pro Quadratmeter. Solche Werte sind Modelle. Sie helfen, das große System Erde übersichtlich zu verstehen.
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Reflexion, Absorption und Albedo
Nicht jede Sonnenstrahlung erwärmt den Boden. Ein Teil wird zurück in den Weltraum geworfen. Das nennt man Reflexion. Ein anderer Teil wird aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Das nennt man Absorption.
Reflexion bedeutet: Strahlung wird zurückgeworfen.
Absorption bedeutet: Strahlung wird aufgenommen und meist in Wärme umgewandelt.
Wolken, Eis, Schnee, helle Böden und helle Dächer reflektieren besonders viel Licht. Dunkle Flächen nehmen mehr Strahlung auf. Deshalb wird ein schwarzes T-Shirt in der Sonne schneller warm als ein weißes.
Die Albedo beschreibt, welcher Anteil der einfallenden Strahlung reflektiert wird. Eine hohe Albedo bedeutet: Viel Strahlung wird zurückgeworfen. Eine niedrige Albedo bedeutet: Viel Strahlung wird aufgenommen.
Die Albedo ist der Anteil der einfallenden Strahlung, der von einer Oberfläche oder von der Erde insgesamt reflektiert wird.
Schnee hat eine hohe Albedo, weil er viel Sonnenlicht zurückwirft. Ein dunkler Asphalt hat eine niedrige Albedo, weil er viel Strahlung aufnimmt und sich stark erwärmt.
Hell reflektiert oft viel. Dunkel absorbiert oft viel.
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Kurzwellige Einstrahlung und langwellige Ausstrahlung
Die Erde nimmt kurzwellige Sonnenstrahlung auf. Dadurch erwärmen sich Boden, Wasser und Luft. Warme Körper geben selbst wieder Strahlung ab. Weil die Erde viel kühler ist als die Sonne, sendet sie vor allem langwellige Wärmestrahlung aus.
Langwellige Wärmestrahlung ist Strahlung, die von vergleichsweise kühlen Körpern abgegeben wird. Die Erde sendet sie vor allem als unsichtbare Infrarotstrahlung aus.
Das ist ein wichtiger Wechsel: Kurzwellige Strahlung kommt von der Sonne hinein. Langwellige Strahlung geht von der Erde wieder hinaus. Der Strahlungshaushalt hängt davon ab, wie gut dieser Austausch funktioniert.
Ein Stein liegt tagsüber in der Sonne. Er nimmt Sonnenstrahlung auf und wird warm. Am Abend gibt er Wärme wieder an seine Umgebung ab, obwohl die Sonne nicht mehr direkt scheint.
Kurzwellige Strahlung kommt vor allem hinein. Langwellige Wärmestrahlung geht vor allem hinaus.
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Die Atmosphäre wirkt wie ein Filter
Die Atmosphäre ist die Lufthülle der Erde. Sie besteht aus Gasen, Wassertröpfchen, Eiskristallen und kleinen Teilchen. Sie lässt einen Teil der Sonnenstrahlung durch, hält einen Teil zurück und wirft einen Teil zurück ins Weltall.
Die Atmosphäre ist die Gashülle der Erde. Sie beeinflusst, welche Strahlung zur Erdoberfläche gelangt und welche wieder ins Weltall entweicht.
Einige Strahlen treffen direkt auf den Boden. Das nennt man direkte Strahlung. Andere werden in der Atmosphäre gestreut und kommen aus verschiedenen Richtungen am Boden an. Das nennt man diffuse Strahlung.
Direkte Strahlung erreicht die Erdoberfläche fast ohne Ablenkung.
Diffuse Strahlung wurde in der Atmosphäre gestreut und kommt aus mehreren Richtungen.
Bei wolkenlosem Himmel wirft dein Körper einen scharfen Schatten. Dann ist viel direkte Strahlung vorhanden. Bei bedecktem Himmel ist es trotzdem hell, aber die Schatten sind schwach. Dann kommt viel diffuse Strahlung an.
Wolken können doppelt wirken: Sie reflektieren Sonnenlicht zurück ins All, können aber auch Wärmestrahlung in der Nähe der Erde halten.
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Treibhauseffekt und Gegenstrahlung
Die Erdoberfläche sendet langwellige Wärmestrahlung nach oben. Ein Teil davon entweicht ins Weltall. Ein anderer Teil wird von bestimmten Gasen in der Atmosphäre aufgenommen. Diese Gase heißen Treibhausgase.
Treibhausgase sind Gase in der Atmosphäre, die langwellige Wärmestrahlung aufnehmen und wieder abgeben. Wichtige Beispiele sind Wasserdampf, Kohlendioxid und Methan.
Wenn Treibhausgase Wärmestrahlung wieder in Richtung Erde abgeben, nennt man das Gegenstrahlung. Sie bremst die Abkühlung der Erdoberfläche. Dieser natürliche Vorgang heißt Treibhauseffekt.
Gegenstrahlung ist Wärmestrahlung aus der Atmosphäre zurück zur Erdoberfläche.
Der natürliche Treibhauseffekt sorgt dafür, dass die Erde deutlich wärmer ist, als sie ohne Treibhausgase wäre.
Ohne natürlichen Treibhauseffekt wäre die Erde im Durchschnitt lebensfeindlich kalt. Mit ihm liegt die mittlere Temperatur ungefähr im Bereich, in dem flüssiges Wasser und Leben möglich sind. Problematisch wird es, wenn Menschen zusätzliche Treibhausgase in die Atmosphäre bringen. Dann wird mehr Wärmestrahlung zurückgehalten.
In einer klaren Nacht kühlt der Boden oft stark ab. Bei bewölktem Himmel bleibt es nachts häufig milder. Wolken und Wasserdampf geben einen Teil der Wärmestrahlung zurück nach unten.
Der natürliche Treibhauseffekt ist lebenswichtig. Der verstärkte Treibhauseffekt durch zusätzliche Treibhausgase erwärmt das Klima.
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Warum der Strahlungshaushalt nicht überall gleich ist
Der Strahlungshaushalt ist nicht an jedem Ort gleich. Am Äquator treffen Sonnenstrahlen oft steiler auf die Erde. In Polargebieten treffen sie flacher auf und verteilen sich auf eine größere Fläche. Außerdem reflektieren Schnee und Eis dort viel Sonnenlicht.
Auch Tageslänge, Jahreszeit, Wolken, Meer, Gebirge, Wind und Meeresströmungen verändern die Bilanz. Deshalb kann ein Ort trotz gleicher Sonne sehr anders warm werden als ein anderer.
Der Einfallswinkel beschreibt, wie steil Sonnenstrahlen auf eine Fläche treffen. Je steiler sie auftreffen, desto stärker erwärmen sie eine kleine Fläche.
Halte eine Taschenlampe gerade auf den Tisch. Der Lichtfleck ist klein und hell. Halte sie schräg. Der Lichtfleck wird größer und schwächer. So ähnlich wirkt ein flacher Sonnenstand in hohen Breiten.
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Zusammenfassung
Der Strahlungshaushalt der Erde beschreibt, wie viel Strahlungsenergie die Erde aufnimmt und wieder abgibt. Die Sonne liefert vor allem kurzwellige Strahlung. Die Erde gibt nach der Erwärmung langwellige Wärmestrahlung ab.
Reflexion wirft Strahlung zurück. Absorption nimmt Strahlung auf und erwärmt Oberflächen. Die Albedo zeigt, wie stark eine Fläche reflektiert. Schnee hat eine hohe Albedo, dunkler Asphalt eine niedrige.
Die Atmosphäre steuert den Strahlungshaushalt mit. Sie streut, reflektiert und absorbiert Strahlung. Treibhausgase halten einen Teil der langwelligen Wärmestrahlung zurück. Der natürliche Treibhauseffekt macht die Erde lebensfreundlicher, aber zusätzliche Treibhausgase verschieben die Energiebilanz und fördern die Erwärmung.
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